中国科“迹”｜中国用两千多个日夜点亮的“人造太阳”（上）|中国科|人造太阳|强磁场|核聚变|等离子体|线圈

导语

在安徽省合肥市西郊董铺水库的科学岛上，坐落着全超导托卡马克核聚变实验装置——EAST，中文名“东方超环”。它由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主设计建造，是世界首个全超导非圆截面托卡马克实验装置，也被形象地称为"人造太阳"。

EAST主机高11米、直径8米、重400余吨。项目于1998年经国家批准立项，2000年正式开工建设，2006年9月首次成功获得等离子体放电，2007年3月通过国家竣工验收，正式投入实验运行。

与太阳释放能量的原理相同，可控核聚变是EAST的核心研究方向。作为一台实验装置，它并不直接产出可用能源，而是通过探索上亿度高温等离子体的约束规律和稳态运行机制，积累长脉冲、高参数运行的工程经验，为我国下一代聚变堆设计提供实验支撑，也为未来核聚变能走向商用、应用于发电、供热、制氢等领域打下科学和技术基础。

从一个朴素的想法开始

很多人第一次听到“人造太阳”，第一反应是科幻电影里悬浮在天上的巨型发光体，其实它的真身，是一台安放在实验大厅里、十几米高的全超导托卡马克装置——东方超环EAST。它的核心目标一点都不玄乎：把太阳上持续发生的核聚变反应，可控地“搬”到地球上来，给人类提供一种几乎取之不尽的清洁能源。

早在上世纪50年代，人类就已经通过氢弹爆炸见识过核聚变的威力，但那是瞬间释放的不可控能量。全世界的物理学家花了几十年时间摸索，想把这股狂暴的力量“驯服”，让它像普通火电站的锅炉一样，稳稳当当地持续输出能量用来发电。但这件事的难度，远超最初所有人的想象。

上世纪90年代，国内聚变领域的科研人员在长期跟踪国际前沿后，提出了一个在当时看来相当务实却又极具挑战性的方案：跳过部分中间技术路线，直接自主建造世界上第一台全超导非圆截面托卡马克。当时国际上已有的托卡马克装置，大多只有部分线圈采用超导设计，运行时长普遍很短，根本无法验证未来商用聚变堆最核心的“长脉冲稳态运行”技术。

没有现成的完整图纸，大量核心部件没有成熟的国产供应链，很多关键工艺连参考资料都找不到。整个团队从最基础的超导材料选型、精密部件加工工艺开始啃，前后花了近十年时间，一步步把这台装置从图纸变成了实物。2006年9月，EAST首次实现等离子体放电，这也是世界上首个全超导非圆截面托卡马克实验装置正式投入实验运行的起点。

五个“极端条件”，凑在一起有多难

站在EAST装置的外部看，它只是一个裹着多层保温结构的环形金属壳体，没有任何炫目的设计，可内部同时共存的五个极端工况，每一个单独拿出来都足以让工程设计人员头疼。

第一个是上亿摄氏度的高温。EAST内部的等离子体最高温度可达1.6亿摄氏度，是太阳核心温度的十倍多。地球上没有任何已知固体材料能直接接触这个温度的物质，哪怕是熔点最高的金属钨，碰到它也会瞬间汽化。科研人员的解决方案是用强磁场约束：等离子体是带电的，强磁场可以像一只无形的手，把这团高温带电粒子稳稳悬浮在真空室的中心区域，全程不接触任何内壁，相当于用磁场做了一个“无形的容器”。

第二个是远超地球的强磁场。EAST运行时产生的磁场强度，是地球自然磁场的数万倍。这么强的磁场作用在超导线圈上，会产生足以扭曲金属结构的巨大电磁力。设计阶段，工程师们给每一组超导线圈都做了多重加固结构，确保在满功率运行时，几吨重的线圈不会在巨大的电磁力作用下发生哪怕零点几毫米的位移。

超导线圈

第三个是百万安培级的超大电流。EAST设计等离子体电流最高可达1兆安，也就是一百万安培，相当于普通家庭用电最大允许电流的一万倍以上。这么大的电流如果通过常规铜导线，瞬间就会把导线烧熔，但在零电阻的超导线圈里，它可以几乎无损耗地持续流动，这也是EAST能实现长脉冲运行的核心基础。

很多刚入职的年轻科研人员第一次参与装置维护时，都会被要求反复核对每一个细节：哪怕是更换一个直径几毫米的密封垫圈，都要全程在洁净环境下操作，不能留下任何微小碎屑，否则很可能破坏好不容易建立起来的超高真空环境，让数周的实验准备工作前功尽弃。

第四个是零下269摄氏度的极低温。用来产生强磁场的超导线圈，必须浸泡在液氦中才能进入完全超导的零电阻状态。这个温度比宇宙中很多空旷区域的温度还要低，几乎所有常规气体在这个温度下都会变成固体。也就是说，EAST的环形腔体里，同时存在着两个极端：中心区域是比太阳核心还热的上亿度等离子体，外围超导磁体区域是比极地寒夜冷得多的极低温环境，两者之间只隔着几十厘米的高真空层，冷热两个极端在同一个装置里长期共存，这在EAST建成之前，全世界没有任何一个全超导托卡马克实现过工程落地。

第五个是超高真空环境。EAST内部的真空度需要抽到大气压的一千亿分之一，达到极高真空量级，接近月球表面的真空环境。只要真空室里残留极微量的空气分子，上亿度的等离子体碰到这些杂质粒子，就会快速损失能量，根本无法维持高温。为了达到这个指标，每次实验前，团队都要花数周时间逐步抽气，还要反复对真空室内壁进行高温烘烤，把吸附在金属缝隙里的微量气体彻底赶出来。

补充阅读

EAST真空室最低压力约1.5×10⁻⁶Pa

（约大气压的一千亿分之一）

月球表面大气压约10⁻⁷~10⁻⁹Pa

（万亿分之一到百万亿分之一大气压）

下期预告

从2006年仅数秒的短暂放电，到1066秒的稳态运行，东方超环的每一秒突破，都不是简单的数字叠加，而是中国聚变人二十年如一日，在极致高温、极寒、超强磁场、超高真空的极限工况中，一次次试错、打磨、攻坚熬出来的奇迹。看似平凡的十几分钟，背后是无数次功亏一篑的遗憾、日夜不休的数据分析和咬牙坚守的深耕。

但1066秒的世界纪录，从来不是终点，只是中国可控核聚变探索路上的一座里程碑。打破国际固有技术壁垒、刷新行业认知、解锁全新聚变运行模式，东方超环的突破远不止于此。下一期，我们解锁更多硬核突破、科研幕后故事与人类清洁能源的未来答案。

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